中科院半导体研究所:关于石墨烯材料拉曼散射及其应用的综述论文

石墨烯作为第一种被发现的二维材料具有多种优良性质。得益于其原子级的厚度和独特的能带结构,单层的石墨烯有着非常好的柔韧性、极高的电子迁移率、很高的热导率、良好的光学性能以及很大的比表面积。这些优异的性质使得石墨烯材料在广泛的领域中极具应用前景,包括:高频微纳电子器件和机械系统、超薄层晶体管、透明导电复合材料和电极、具有高充放电速度的锂电池和超级电容器、高灵敏度的化学生物传感器、柔性的和可打印的光电器件以及非线性光学等方面。因此石墨烯被誉为“黑金”,被视为未来三十年的明星材料。

自石墨烯被发现的十几年来,石墨烯的制备技术得到了极大的发展。起初,只有微机械剥离法能制备高质量的单层和多层石墨烯,到后来化学气相沉积和SiC表面外延也能生产大面积高迁移率的石墨烯片层(薄膜)。此外,人们还开发了其它石墨烯材料的制备方法,如氧化还原法和有机合成等,利用这些方法得到的石墨烯材料往往带有空位、位错和各类官能团修饰等缺陷。

同时,人们还尝试把二维的石墨烯做成一维的纳米带和零维的量子点,以期获得可控的电学和光学性质。因此,石墨烯材料家族也迅速地壮大。上述的所有材料,都是以单层的石墨烯作为最基础的“建筑模块”,研究者们称其为石墨烯基材料。如此繁多的石墨烯基材料具有不同的应用场合。因此,急需一种能同时在实验室和大规模生产中来表征石墨烯基材料的通用技术,并探索这些材料在对应器件中的状态、作用和工作机理,这对于石墨材料的合成、基础研究和设备应用都是至关重要的。

拉曼光谱是一种表征石墨烯材料晶格结构、电学、光学和声子学性质的快速、无损和高分辨的手段。这种手段对表征石墨烯材料是如此重要以至于大多数所发表的关于石墨烯材料的科学论文往往有一张这种材料的拉曼光谱。石墨烯基材料具有类似的拉曼光谱,但是通过分析这些相似特征峰的峰位、线形和强度却能够给出丰富的信息来探究它们的各种性质。例如,用某一个波长激发的单层石墨烯的G模的峰位、线形、半高宽和强度都会受到其电子参杂水平的影响。

石墨烯中还有一些与缺陷相关的模式,如D和D’峰,通过分析这些峰的特性,可以得到缺陷相关的信息。同时,石墨烯中还有能反映电子能带和声子能带结构的双共振模式,如2D和2D’模等,还有能表征多层石墨烯层间耦合的剪切和呼吸模式。此外,外界的一些微扰包括电子参杂、应力应变、磁场和温度会显著地影响石墨烯材料的电子和声子性质,这些都能被拉曼光谱探测出来。因此,拉曼光谱不仅能够表征石墨烯材料的性质,而且能够无损地探测石墨烯材料在相关器件中所起的作用。

中国科学院半导体研究所谭平恒研究员长期从事低维材料的拉曼光谱研究,特别是在石墨烯等二维材料的拉曼光谱方面积累了丰硕成果。最近,谭平恒研究员撰写了关于石墨烯材料拉曼散射及其应用的综述论文,目前已被英国皇家化学学会旗下期刊《Chemical Society Reviews》在线发表(http://doi.org/10.1039/c6cs00915h)。吴江滨博士为该论文的第一作者,谭平恒研究员为通讯作者。

该综述系统地回顾了近年来石墨烯基材料的拉曼光谱在基础研究和器件应用方面的进展。首先,该文章描述本征的单层石墨烯的一阶和二阶拉曼光谱,接着讨论了不同堆垛方式的多层石墨烯的拉曼光谱,并且介绍了拉曼光谱作为一种技术手段如何表征石墨烯的层数,探测单层和多层石墨烯中的共振现象及获得石墨烯材料的二维成像。该综述还系统地论述了如何运用拉曼光谱来探测单层或者多层石墨烯中的微扰,以及如何将这些机理拓展到其它的石墨烯基材料,如石墨烯量子点、碳点、氧化石墨烯和氧化还原石墨烯、石墨烯纳米带、化学气相沉积生长的石墨烯、SiC表面外延生长的石墨烯、石墨烯复合物以及石墨基二维异质结。

最后该综述总结了拉曼光谱在表征石墨烯基光电器件方面方面的应用,这些器件包括石墨烯基场效应晶体管、石墨烯基能量存储器件、石墨烯基太阳能电池和有机光发射二极管、石墨烯基纳米电-力系统、石墨烯基范德华二维异质结。该综述论文对于从事石墨烯相关领域研究和应用的科研和技术人员都具有非常重要的参考价值。

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责任编辑:马嘉悦
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